(57)【要約】【課題】正確な挙動評価による安全性の確保および精度の高い材料物性評価を実現し、三次元構造物としての要求性能を満たしつつ低コスト化を実現可能な三次元構造物設計システムを提供する。【解決手段】設計者が操作入力手段２を介して三次元構造物設計システム１に対して設計情報を入力することにより、設計処理手段１１により三次元モデルが生成され、これを非線形ＦＥＭ解析機能を有する解析手段１３により正確な解析を行い、その解析結果が規定の性能を具備しているか否かの性能判定を判定手段１４で行い、また、規定性能を満たした三次元モデルに対して、判定手段１４は、更に客先要求（主にコスト面での要求）を満たすか否かの要求判定を行い、これら性能判定および要求判定を共に満たした三次元モデルのみを完成モデルとして扱う。【選択図】図１
2005299203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
設計対象の三次元構造物の三次元モデルを作成するための設計処理手段と、上記設計処理手段により作成された三次元モデルを解析するために、少なくとも、非線形ＦＥＭ解析機能と影響線解析機能とクリープ解析機能を備える解析手段と、上記解析手段による解析結果に基づき、設計対象の三次元構造物に要求される規定性能を満たすか否かの判定を行う性能判定機能と、該性能判定条件を満たす三次元モデルが予め定められた客先要求性能を満たすか否かの判定を行う性能判定機能とを有する判定手段と、を備えることを特徴とする三次元構造物設計システム。
【請求項２】
上記解析手段は、三次元モデルをソリッドまたはシェル要素に分割して解析する際に、要素分割の大きさに応じたコンクリートおよび鋼材（ＰＣ鋼材を含む）の構成則を使い分けることで、解析精度を確保できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の三次元構造物設計システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレストレスコンクリート（以下、ＰＣという）橋などの三次元構造物の建設コストを抑制できるような設計を支援する三次元構造物設計システムに関し、特に大規模な橋梁の設計に好適なシステムである。
【背景技術】
【０００２】
昨今では、ＰＣ橋などの構造物のコスト低減が求められており、様々な新技術・新材料・新工法の開発が進められている。そのようなコスト低減手法の一つとして、橋の構造形式や橋種に応じて橋梁部分の道路完成系線形データやそれにキャンバー値を上乗せした製作系線形データ等をデータベース化して用い、全橋種に共通の設計部分と橋種毎に異なる設計部分とを機能的に用いて３次元モデルを構築することで、設計の容易化を図るようにした３次元モデルの構築方法が提案されている（たとえは、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２６１６５８号公報
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１に記載の方法では、装置により設計した３次元モデルが、要求性能（例えば、道路橋示方書等にて定められた安全基準を満たす性能）や施主からの客先要求仕様を満たしているか否かといった設計の妥当性判断まで含めたトータルな設計支援機能を有するものではない。
【０００５】
また、従来のＰＣ構造物は、耐久性・耐荷性を確保するために、使用状態においてはひび割れが発生しないように設計されている。この場合、部材に作用する断面力（力）は、その部材が完全弾性体（力と変形の関係が正比例する）として算出され、また、部材の安全性は、部材の縁（けたであれば上下の縁）ひずみ量が許容値以下となるように制御されるが、ひび割れが発生しない完全弾性体と看做せるので、部材の上から下までのひずみの発生状態は直線と仮定でき、設計そのものが極めて簡易化できる。
【０００６】
しかしながら、ひび割れが発生しないように構造物を構成する部材を設計する場合、要求性能に対して保有性能が過大となってしまい、過剰な建設コストとなることから、経済的ではないし、仮定に基づく設計手法に起因した様々な構造上の不合理性も指摘されるようになった。
【０００７】
そこで、要求性能に対して合理的なレベルの保有性能を有する構造として、耐荷力を有するとともに、適切な耐久性（コンクリートや中の鉄筋などの腐食）を維持する機能をひび割れ幅で制御する設計体系が提案された。ひび割れの発生を許容する設計は、上述したひび割れの発生しない設計法に比較して、その手順が極めて煩雑になる。これは、荷重の大きさに比例するひび割れ幅の変動や、ひび割れの発生する部位の変化などに応じて、部材に作用する力が刻々と変化するためである。加えて、部材のひずみ分布もひび割れた部位とひび割れの発生していない部位では状態が異なるため、厳密にはこれらの影響を考慮して設計する必要がある。
【０００８】
しかしながら、現状では、これらの挙動を正確に捉えて構造物の設計を行うことは現実的に不可能であり、従来の線形解析を準用するかたちで実施されている。そのため、この設計方法では、必ずしも部材を安全に設計できているとは限らず、場合によっては想定した状態よりも危険な状態を生じる可能性も潜在している。
【０００９】
加えて、本来ひび割れ幅の推移や耐荷力の変化は、コンクリートの引張抵抗力に影響を受けるが、これを考慮した設計が容易ではないことから、影響度が少ないと仮定することにより、これらを完全に無視する方法がとられている。しかしながら、この仮定が構造物の低コスト化を阻害する要因の一つとなっているのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上のような問題点に鑑み、本発明は、非線形ＦＥＭ解析を用いることにより、正確な挙動評価による安全性の確保および精度の高い材料物性評価を実現し、三次元構造物としての要求性能を満たしつつ低コスト化を実現可能な三次元構造物設計システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、設計対象の三次元構造物の三次元モデルを作成するための設計処理手段と、上記設計処理手段により作成された三次元モデルを解析するために、少なくとも、非線形ＦＥＭ解析機能と影響線解析機能とクリープ解析機能を備える解析手段と、上記解析手段による解析結果に基づき、設計対象の三次元構造物に要求される規定性能を満たすか否かの判定を行う性能判定機能と、該性能判定条件を満たす三次元モデルが予め定められた客先要求性能を満たすか否かの判定を行う性能判定機能とを有する判定手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、上記請求項１に記載の三次元構造物設計システムにおいて、上記解析手段は、三次元モデルをソリッドまたはシェル要素に分割して解析する際に、要素分割の大きさに応じたコンクリートおよび鋼材（ＰＣ鋼材を含む）の構成則を使い分けることで、解析精度を確保できるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る三次元構造物設計システムによれば、非線形ＦＥＭ解析を用いる解析手段と、この解析結果が規定性能を満たすか否かの性能判定および客先要求を満たすか否かの要求判定を行う判定手段を備えることにより、正確な挙動評価による安全性の確保および精度の高い材料物性評価を実現し、尚且つ、三次元構造物としての要求性能を満たしつつ低コスト化を実現することができる。
【００１４】
また、請求項２に係る三次元構造物設計システムによれば、解析手段は、標準サイズのソリッドまたはシェル要素で用いる構成則を用いずに、要素分割の大きさに応じた構成則を用いて解析を行うので、解析精度を低下させることなく、分割数を低減して、解析時間の大幅短縮を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る三次元構造物設計システム１に関する概略構成を示すもので、設計者が操作するキーボードやポインティングデバイス等の操作入力手段２より入力された諸操作に基づいて適宜な処理を行い、視覚的情報をモニタ３にて表示する。また、プロッタ・プリンタ等の印刷デバイスや設計データ等を保存する可搬性の記憶担体（フレキシブルディスク、ＭＯ、ＣＤ−Ｒ等の記憶メディア）である外部出力手段４に対するデータ出力制御も行う。
【００１７】
上記三次元構造物設計システム１は、比較的規模の大きなデータベースとして構築されている設計支援情報記憶手段５と接続し、該設計支援情報記憶手段５が有する材料物性データベース，客先仕様データベース，既存設計情報データベース等から設計に必要な情報を取得して、設計に用いるものとし、また、設計の完了したデータを設計支援情報記憶手段５に保存することもできる。なお、三次元構造物設計システム１には、三次元モデルを作成する機能を備えているが、別の設計システムにて作成した三次元モデリングデータを移入して、この三次元モデリングデータから三次元構造物の設計を引き継いで行えるようにしても良い。
【００１８】
三次元構造物設計システム１は、マイクロプロセッサ等を用いて構成したハードウェアと、このハードウェア・アーキテクチャ上にて実行させるソフトウェアにより実現するもので、その動作を機能面から捉えると、設計に関連した処理を統括的に行う設計処理手段１１，上記モニタ３への表示情報出力を行う表示制御手段１２、上記設計処理手段１１による設計過程で種々の解析に利用される解析手段１３、設計データの解析結果から設計の妥当性を判定する判定手段１４、上記外部出力手段４へ適宜な出力データを送出する出力制御手段１５を備える。なお、この他にも設計支援に必要な機能を適宜備えるように構成して構わない。
【００１９】
上記設計処理システム１１は、少なくとも、三次元モデル設計機能と設計情報一時記憶機能とを備えるものとして、設計者の操作入力に応じた三次元モデリングデータを設計して行くと共に、その設計情報をシステム内に記憶しておく。なお、設計情報一時記憶機能として、当該システムの電源が切られるとしても記憶が失われない比較的記憶容量の大きな不揮発性記憶手段（ハードディスクドライブ等）を用いれば、上記設計支援情報記憶手段５から読み出した情報をシステム内に記憶でき、支援情報の参照を効率的に行えるし、三次元構造物設計支援システム１をスタンドアローン構成とした場合には、設計支援に必要な情報を予めシステム内に格納しておく目的にも利用できる。また、一時記憶する設計情報としては、三次元モデリングデータに加えて、その解析結果や判定結果も含むものとし、最終的な設計データが完成して、これを設計支援情報記憶手段５の既存設計情報としてデータベースに登録しておけば、類似設計における利便性を高めることができる。
【００２０】
上記解析手段１３は、少なくとも、非線形ＦＥＭ解析を行う機能、影響線解析を行う機能、クリープ解析を行う機能を備える。なお、非線形ＦＥＭ解析は、コンクリートと鉄筋のみで構成される構造物においてその理論が確立されており、それに限定した解析に適用されてきたのであるが、本実施形態に係る三次元構造物設計システム１の解析手段１３に設けた非線形ＦＥＭ解析機能は、ＰＣ鋼材（高張力鋼線）で補強される構造物（ＰＣ構造物）の解析にも適用できるものである。
【００２１】
上記判定手段１４は、上記設計処理手段に記憶されている設計情報（解析手段による解析結果を含む情報）を受けて判定を行うもので、少なくとも、性能判定機能および要求判定機能を備える。先ず、判定手段１４は上記解析手段１３の判定結果に基づいて判定対象である構造設計が規定の性能を具備しているか否かの性能判定を行い、判定対象である構造設計が規定の性能を具備していないと判定した場合には、規定性能を満たすための設計変更に有用な支援情報をモニタ３に提示する。また、性能判定において規定性能を満たした構造設計に対しては、客先要求（主にコスト面での要求）を満たすか否かの要求判定を行い、要求判定を満たしていなければ、客先要求を満たすための設計変更に有用な支援情報を提示する。
【００２２】
なお、判定手段１４による判定結果は、設計処理手段１１に戻すものとし、この判定結果も設計情報の一部として記憶させるようにしても良い。このように、一つの構造設計で性能判定および要求判定を満たすまでの履歴を残しておけば、類似設計における参考事例として用いることができ、作業の効率化に寄与できる。また、判定手段１４は、性能判定および要求判定を満たした設計情報が複数ある場合に、それらの中から最も低コストになる三次元モデルを最適なモデルとして選定する機能も有する。
【００２３】
上記のようにして行う判定手段１４の判定において、判定対象である三次元モデルが性能条件および要求条件を共に満たしていない場合には、これを完成モデルとして保存せずに、設計者による設計変更を促し、性能条件および要求条件を満たす構造設計が仕上がった場合には、これを設計支援情報記憶手段５にも保存できるようにする。併せて、施工用図面を作成したり、施工材料等の数量計算や費用明細の一覧等を出力できるようにすれば、一層利便性の高いものとなる。
【００２４】
次に、本発明に係る三次元構造物設計システムを、ＰＣ橋の設計に用いた場合の設計の流れを図２のフローチャートに基づき説明する。
【００２５】
先ず、ステップＳ１において三次元立体モデルを作成する。なお、橋梁の設計には多径間の連続桁橋を数径間ずつ分割して施工して行く複数工程の施工ステップも含む。また、モデリングに際しては、既設計の三次元モデリングデータを移入しても良い。
【００２６】
次いで、作成した三次元立体モデルの解析を行う。この解析においては、構造物の立体的な応力状態を直接的かつ正確に解析可能なＦＥＭ解析を用い、しかも、非線形ＦＥＭ解析により構造物の最大耐荷力を超えた非可逆的な範囲（ポストピーク）での挙動をも解析できる。これにより、従来はコンクリートの引張特性を考慮しない設計を余儀なくされていたのに対し、本発明では、ひび割れ幅を許容しつつ適切な耐荷力のＰＣ橋を設計することが可能となる。
【００２７】
また、解析に際しては、簡易モデル化する要素分割のメッシュ幅を標準モデルのメッシュ幅よりも大きなメッシュ幅とすることで分割数を減ぜしめ、従来は、膨大な解析時間を要することからＰＣ橋の一部分にしか適用できなかったソリッドモデルによる解析を、ＰＣ橋全体に適用できるようにした。なお、標準モデルと異なるメッシュ幅を採用するために、本発明では、要素分割の大きさに応じたコンクリートおよび鋼材（ＰＣ鋼材を含む）の構成則を使い分けることで、解析精度を確保できるようにした。更に、簡易モデルのパラメータ解析により、ソリッドモデルからシェルモデルに簡易化できるかを判断し、シェルモデル化できた場合には、一層解析時間の短縮化を図る。
【００２８】
上記ステップＳ２の解析結果として、自重や載荷荷重により部材断面に発生する応答値ｆ（ひずみやひび割れ幅等）が得られ、この応答値ｆに基づいて性能判定を行う（ステップＳ３）。性能判定においては、使用限界状態（構造物または部材が、過度のひび割れ、変位、変形、振動等を起こして、安定や機能を失う状態）および終局限界状態（構造物または部材が、破壊したり、転倒、座屈、大変形等を起こして、安定や機能を失う状態）の２状態について行う。
【００２９】
使用限界状態における性能判定は、部材のひずみ（応力度）、またはコンクリートのひび割れの程度（幅）で行い、応答値ｆが制限値ｆａを超えていない場合（ｆ＜ｆａ）には性能判定条件を達成していることとなり、応答値ｆが制限値ｆａを超えていた場合（ｆ≧ｆａ）には性能判定条件を達成していないこととなる。一方、終局限界状態における性能判定は、作用力と部材の保有耐力を比較することにより行い、ｆ＜Ｆａ／γ（Ｆａ：部材が保有する耐荷力，γ：安全係数）を満たせば性能判定条件を達成したこととなる。
【００３０】
上記のようにして性能判定を行った結果が性能判定条件を達成したか否かを判定し（ステップＳ４）、性能判定条件を達成していれば、この作成モデルを選定候補として保存する（ステップＳ５）。しかしながら、上記ステップＳ４で性能判定条件を達成していないと判定された場合（使用限界状態および終局限界状態の両方もしくは何れか一方が性能判定条件を満たしていなかった場合）には、性能判定結果の情報（性能判定条件を満たしていなかったという結果と、その性能判定条件を達成するための対処方法を例示した再設計支援情報）を設計者に提示し（ステップＳ６）、性能判定条件を満たすような再設計を促す。
【００３１】
使用限界状態における性能判定は、橋げたコンクリート断面の上下縁応力度、または最外縁鉄筋位置におけるコンクリートのひび割れ幅で行うことから、応答値ｆを制限値ｆａ未満に抑える再設計支援情報としては、コンクリート断面を大きくする事、ＰＣ鋼材または鉄筋を増加する事、等が挙げられる。また、断面あるいはＰＣ鋼材、鉄筋などの本数を変えない場合には、より強度の大きな材料を使用することで対処する場合もある。
【００３２】
また、橋を構成する材料の物理特性は、力とひずみの関係が比例する線形状態の領域と、力が増加せずにひずみだけが増加する非線形の領域を有し、非線形領域においてひずみがある値になると鋼材は破断し、コンクリートは圧縮破壊するので、終局限界状態における性能判定では、鋼材の破断もしくはコンクリートの圧縮破壊が生じない耐性を備えているかを判定していることから、応答値ｆをＦａ／γ未満に抑える再設計支援情報としては、鋼材が降伏する場合には鋼材（鉄筋またはＰＣ鋼材）を増加する事、コンクリートが圧縮破壊する場合には断面を大きくする事、等が挙げられる。
【００３３】
上記ステップＳ５で性能判定条件を満たした三次元立体モデルを保存した後には、別の選定候補とする三次元立体モデルを作成するか否かを判定し（ステップＳ７）、別の候補を作成する場合には、上記ステップＳ１〜ステップＳ６の一連の処理を行って、別の選定候補とする三次元立体モデルを作成する。例えば、性能判定条件が達成されなかったために上記ステップＳ６で提示された再設計支援情報として複数種類の解決手法が提示された場合には、一つの解決手法による選定候補を決めた後に、別の解決手法による再設計を行うことができ、性能判定条件を達成した複数の三次元立体モデルを別々の選定候補として保存することができる。
【００３４】
上記ステップＳ７で他の選定候補を作成しないとした場合には、要求判定を行う（ステップＳ８）。この要求判定においては、施主より提示された客先要求仕様のコストを満たしているか否かの判定を行う。すなわち、性能判定条件が達成された構造が、必ずしも経済的とならない場合があるからである。
【００３５】
上記のようにして要求判定を行った結果が要求判定条件を達成したか否かを判定し（ステップＳ９）、要求判定条件を達成していれば、品質確保に影響を与える施工性が確保されていることを確認した上で最適な作成モデルを選定する（ステップＳ１０）。例えば、要求判定した候補が一つであれば、無条件にそのモデルが最適モデルとして選定されるが、複数の選定候補に対して要求判定条件を満たしたものが複数あった場合は、それらの中で最もコストの安い設計を最適モデルに選定する。
【００３６】
しかしながら、上記ステップＳ９で要求判定条件を達成していないと判定された場合には、要求判定結果の情報（要求判定条件を満たしていなかったという結果と、その要求判定条件を達成するための対処方法を例示した再設計支援情報）を設計者に提示し（ステップＳ１１）、性能判定条件を満たすような再設計を促す。
【００３７】
橋は、けた部分を支持する橋脚などを構成する下部構造と、自動車の荷重を直接支えるけたである上部構造部分から成る。さらに下部工は、土中部にある基礎、地表面から上にある橋脚、および桁を直接支持する支承から構成される。一方、けた部分はコンクリート、鉄筋、およびＰＣ鋼材から構成される。上部工のみに着目した場合、コストに与える影響は、コンクリートよりＰＣ鋼材が大きい。下部工の構造は、地震時によって決定されることが多く、荷重を支持する支承コストも上部構造の１０〜１５％を占めることから、最も影響を与える要因は重量であるといえる。以上から、コスト低減のための再設計支援情報としては、ＰＣ鋼材を減じることが有効な上部工と、コンクリートを減じることが有効な下部工のコストを総合的に捉えて判定・提示する。
【００３８】
以上、本発明に係る三次元構造物設計システムをＰＣ橋の設計に適用した例を説明したが、これに限定されるものではなく、コンクリートやＰＣ鋼材等を用いて構築する他の三次元構造物に適用しても、コストを抑えつつ要求性能を満たす設計が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る三次元構造物設計システムの概略構成図である。
【図２】本発明による三次元構造物の設計の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１    三次元構造物設計システム
１１  設計処理手段
１２  表示制御手段
１３  解析手段
１４  判定手段
１５  出力制御手段
２    操作入力手段
３    モニタ
４    外部出力手段
５    設計支援情報記憶手段
【図１】
2005299203.tif 000003
【図２】
2005299203.tif 000004